Transcript Radio astronomija

Radio astronomija
Luka Kocijančič
Boštjan Zabret
22.maj 2012
Definicija, opis
• Je del astronomije, ki proučuje nebesna telesa s
pomočjo radijskih frekvenc.
• Radio astronomijo izvajamo s pomočjo velikih
radijskih anten, ki so postavljene posamično ali
pa jih je več povezanih med seboj.
Zgodovina
• Prvo odkritje radijskih valov sega v leto 1930, ko
je Karl Jansky opazoval sevanje oddano z Mlečne
ceste (ang. “Milky Way”)
• Prvi radio teleskop je leta 1937 izdelal Grote
Reber
• Leta 1942 je anglež J.S.Hey prvi zaznal radijske
valove , ki jih oddaja Sonce.
• Do zgodnjih 50ih let sta M. Ryle in A. Hewish s
pomočjo Cambridge Interferometra kartirala
izvore radijskih valov.
Tehnike
• Poznamo več metod opazovanja radijskih valov,
ustrezno tehniko pa izberemo glede na moč
signala in podrobnost, ki jo želimo doseči.
• Poznamo:
 Radio teleskopi (posamični)
 Radio interferometri (dva ali več radio
teleskopov)
• VLBA
• VLA
Radio teleskopi
• Teleskop zasnovan tako, da sprejema radijske
valove.
• Sestavlja ga :
 ena ali več anten za zbiranje valov (parabolični
krožnik) in pošiljanje v sprejemnik.
 sprejemnik z ojačevalcem, ki okrepi šibek
radijski signal do stopnje, ko ga je mogoče
izmeriti.
 snemalnik (za zapis sprejetega signala).
Delovanje radio teleskopa
Radio teleskopi
• Uporabni radio teleskopi morajo imeti velik
premer, ker je intenziteta radijskih valov, v
primerjavi z radiacijo v vidnem spektru majhna
Radio interferometri
• Visoko resolucijo lahko dosežemo le z radio
interferometrijo.
• Današnje interferometre sestavljajo radio
teleskopi, ki so med seboj povezani (fizično ali
pa povežemo naknadno podatke) in opazujejo
isti objekt. S tem se poveča število signalov, ki
jih pridobimo in s tem izboljšamo resolucijo
(valovi ki koincidirajo se med seboj ojačijo)
• Take sisteme ločimo glede na dolžino baze (ang.
“baseline”) : poznamo VLBA(ang. “Very Long
Baseline Array”) in VLA (ang. “Very Long Array).
VLA
• 27 radio teleskopov, ki se nahajajo na ravnini
San Agustin v Novi Mehiki (ZDA).
• Vsaka antena deluje neodvisno in ima premer
antene 25m.
• Razporejene so v obliki črke Y, v poljubni
konfiguraciji (omogočen je premik po tirnicah)
• Največja dolžina baze: 36km (sestav tako deluje
kot ena sama antena s premerom 36km – s
kombinacijo opazovanj)
VLA
VLBI
• Namesto fizične povezave med teleskopi se
podatki shranjujejo posamično in se kasneje
uskladijo in obdelajo.
• Na svetu obstaja več VLBI sistemov: Teleskopi
razporejeni po Severni Ameriki, Evropski sistem
s teleskopi v Evropi, na Kitajskem, Južni Afriki in
Portoriku ter sistem v Avstraliji.
• Shranjevanje opazovanj na fizični medij pa v
sedanjem času zamenjuje možnost izmenjave
podatkov preko visokoprepustnih omrežij v
realnem času (e-VLBI)
VLBI
PRINCIPI RADIO ASTRONOMIJE
Elektromagnetno valovanje (EMV)
• Je valovanje električnega in magnetnega polja
• V prostoru se širi s hitrostjo svetlobe (c)
• EMV opisuje naslednja enačba:
c = λ*ν
• Glede na valovno dolžino ločimo:
• S postopki spektroskopije lahko raziščemo dosti
širši pas EMV, s čimer dobimo vpogled v podatke
o fizikalnih lastnostih atomov snovi, ki sevajo
• V astrofiziki iz spektra EMV, ki ga izsevajo
oddaljene zvezde, sklepamo o njihovi sestavi
• Vodikovi atomi sevajo radijske valove z valovno
dolžino 21cm
• Vsak električni naboj, ki se giblje pospešeno,
seva EMV, ki se od izvora oddaljuje s hitrostjo
svetlobe
Radijsko valovanje
• Radijski valovi so tisti del spektra EMV, v
katerem je mogoče EMV vzbuditi tako, da skozi
anteno teče izmenični električni tok
• Glede na frekvenco in valovno dolžino ločimo
radijske valove na več območij:
 frekvenca: 3Hz – 300GHz
 valovna dolžina: 1mm – 100.000km
Kako nastanejo radijski valovi?
• Vsa materija okoli nas je sestavljena iz atomov
• Atomi so sestavljeni iz pod-atomskih delcev, z
elektroni , ki krožijo okoli jedra, sestavljenega iz
protonov in nevtronov
• Ko nabiti delci, kot so elektroni in protoni,
pospešijo oddajajo EMV
• Z
odkrivanjem
in
preučevanjem
elektromagnetnih emisij, lahko astronomi
določijo pogoje, ki proizvajajo te emisije in tako
povečajo naše razumevanje o objektih in samih
pogojih daleč v vesolju.
Viri radijskih valov
• Dve osnovni obliki radijskih emisij:
 TOPLOTNE,
 NETOPLOTNE EMISIJE
TOPLOTNE EMISIJE
• So posledica gibanja nabitih delcev, kot so
molekule in atomi. Ker ima vsa materija v sebi
shranjeno nekaj toplotne energije, atomi
vibrirajo – oddajajo EMV
• Več kot je te shranjene energije, bolj atomi
vibrirajo in je tako posledično večja količina
valovanja
• Pri segrevanju plina je dovolj energije, da se
izbije eden ali več elektronov, ki krožijo okoli
atoma
• Atom je zdaj ioniziran in ima pozitiven naboj,
medtem ko je elektron prost
• Ko se negativni elektroni gibljejo pri tej visoki
temperaturi, je nabiti plin (imenovan PLAZMA)
nenehno v interakciji s pozitivnimi naboji
• Ker se gibljejo pospešeno, tako oddajajo EMV
• Druga oblika toplotnih emisij je posledica
vrtenja elektronov, medtem ko ti »krožijo« okoli
jedra
• Radijski valovi, ki so proizvedeni v tem procesu,
imajo vedno določeno valovno dolžino –
elektron v nevtralnem vodikovem atomu v tem
procesu vedno proizvaja radijske valove z
valovno dolžino 21cm
• Ker je vodik napogostejši element v vesolju, je
bila ta vodikova »spektralna linija« ena izmed
prvih odkritih radijskih emisij iz vesolja in je še
vedno ključna valovna dolžina za astronome
NETOPLOTNE EMISIJE
• Netoplotni viri radijskih valov vsebujejo
sinhrotronsko sevanje, pri katerem elektroni, ki
se gibljejo blizu hitrosti svetlobe, pospešijo v
močnih magnetnih poljih
• Posledica tega je določen radijski »podpis«, iz
katerega je moč razbrati jakost magnetnega
polja
• Ti pogoji se pojavljajo v zelo močnih virih, kot so
kvazarji (izredno močna astronomska telesa),
aktivna galaktična jedra in ostanki supernov
(ostanki masivnih zvezd, ki so eksplodirala)
SONCE
Optični posnetek
Radijski posnetek
Kaj se lahko naučimo iz radio
astronomije?
• Radio astronomija je spreminila način našega pogleda
na vesolje in bistveno povečala naše znanje o njem
• Tradicionalna, optična astronomija,je dobra za
opazovanje objektov (zvezde, galaksije), ki oddajajo
veliko vidne svetlobe. Vendar pa so posamezne
zvezde običajno šibki proizvajalcii radijskih valov
• Astronomi zaznavajo radijske valove od Sonca zato,
ker je tako blizu, kljub temu da lahko njegove radijske
emisije povzročijo precejšnje motnje z radijskimi
komunikacijami na Zemlji (ob izbruhu sončnih neviht)
• Hladni oblaki plina, ki jih najdemo v
medzvezdnem prostoru, oddajajo radijske
valove,ki so različnih valovnih dolžin. Ker je
vodik najpogostejši element v vesolju in je
pogost v galaksijah, astronomi uporabljajo
njegovo značilno emisijo za načrtovanje struktur
galaksij
• Radijski valovi potujejo nemoteno v naši
galaksiji - tako lahko zaznamo druge galaksije, ki
ležijo zunaj središča naše
• Te galaksije si je nemogoče ogledati z uporabo
vidne svetlobe in optičnih teleskopov
• Radio astronomija je odkrila številne nove vrste
objektov – med te objekte štejemo t.i. pulsarje –
hitro vrteče nevtronske zvezde, ki so uničena
jedra masivnih zvezd. Ti oddajajo intenzivne
snope radijskih valov v vesolje, podobno kot
svetlobni signal iz svetilnika, medtem ko se ta
vrti (do sedaj je znanih več kot 1480 pulsarjev)
• Leta 1963 so astronomi odkrili objekt z imenom
3C273, za katerega so mislili, da je zvezda.
Izkazalo se je, da ni zvezda, temveč zelo svetleč
in oddaljen nov razred objektov, ki jih danes
imenujemo kvazarji
• Manj energetski, vendar pa povezani objekti,
imenovani aktivna galaktična jedra zdaj redno
preučujejo z uporabo radio astronomije
• Radio astronoma, Arno Penzias in Robert
Wilson, sta leta 1964 odkrila kozmično
mikrovalovno sevanje, ko sta poskušala
ugotoviti izvor motenj v radijskih antenah.
• Čeprav je to sevanje šibko prežema vse vesolje
• Posledica omenjenega sevanja je celo nekaj
statike vašem TV-ju
Kaj je na sliki?
ISKANJE IZVENZEMELJSKE
INTELIGENCE (ET)
Ali smo sami? Are we alone?
• To je morda najbolj razširjeno vprašanje, na
katerega človeška vrsta išče odgovor
• Znanstveniki, filozofi in ljudje na splošno
podajajo
različne
odgovore,
nekateri
optimistične, nekateri pesimistični, nekateri pa z
zagotovostjo trdijo, da smo sami oz. da
»nezemljani« ne obstajajo
• Ker je nemogoče potovati po medzvezdnih
razdaljah imamo ljudje samo eno orodje, ki je
sposobno odgovoriti na vprašanje – radijski
teleskop.
• Celo najbolj objektivni poskusi za izračun
možnega števila planetov v naši galaksiji, na
katerih so takšni pogoji, da lahko obstaja
inteligentna oblika življenja, s katerim bi lahko
komunicirali, so pokazali, da je takšno število
planetov kjerkoli med 1 (Zemlja) do 10
milijonov:
 nastanek življenja kot ga poznamo mi,
 vrsta z dovolj inteligentno tehnologijo,
 možnost oddajanja EM signalov v vesolje,
 na pravi oddaljenosti od Zemlje
Problem št.1
ISKANJE PRAVE FREKVENCE VALOVANJA
Problem št.2
KJE ISKATI?
• Inštitut SETI, ustanovljen leta 1984, pomaga pri
usklajevanju raziskovanj in iskanju finančnih
sredstev za številne raziskovalce in projekte
• Najbolj obsežen projekt dosedaj, ki je bil pod
okriljem inštituta SETI, je projekt Phoenix
• Od leta 1995 se je spremljajo radijske signale iz
bližnjih 1000 Soncu podobnih zvezd, z uporabo
največje antene na južni polobli na svetu
(Avstralija – 70m krožnik)
• Marca 2004 je bil projekt končan, saj po
spremljanju 800-tih zvezd niso našli nobenih
dokazov o zunajzemeljskih signalih
• NASA je v začetku 90.let zagnala nov projekt –
Origins Programe, ki ima drugačen pristop pri
reševanju vprašanja o življenju v vesolju.
• Misije, ki trenutno potekajo v okviru tega
projekta:
 vesoljski teleskop Hubble
 vesoljski teleskop Spitzer
 Keck-ov interferometer
 ...
• Bistvo tega projekta je v raziskavi nastanka zvezd
in planetov
• V tem procesu bodo zelo tehnološko napredni
teleskopi uporabljali tehnike astrometrije in
neposrednega slikanja pri iskanju dokazov o
planetih in morebitnem obstoju »malih zelenih
možičkov«
VIRI
• Miller Fisher, Diane. Basics of Radio Astronomy
for the GAVRT (1998)
• http://outreach.atnf.csiro.au/education/everyo
ne/radio-astronomy/ (21.05.2012)
• http://en.wikipedia.org/wiki/Radio_astronomy
(21.05.2012)
• http://www.radio-astronomy.org/pdf/sarabeginner-booklet.pdf (21.05.2012)
• http://www.gb.nrao.edu/epo/powerpoint/ppt.
html (21.05.2012)